(57)【要約】【課題】  ドリフトやノイズの低減化を図るジャイロ出力検出方法及びジャイロ出力検出装置を提供するものである。【解決手段】  本発明に係るジャイロ出力検出方法は、振動体２の形成された検出片３ａ、３ｂを含む振動ジャイロ１の出力を検出する方法であって、検出片３ａ、３ｂの出力信号を差動増幅し、この差動増幅した出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去し、この低域側の信号を除去した後の出力信号を同期検波し、振動ジャイロ１の出力に生じるノイズが除去された角速度信号を検出する。【選択図】        図１
2005055255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体の形成された検出片を含む振動ジャイロの出力を検出する方法であって、
前記検出片の出力信号を差動増幅し、
該差動増幅した出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去し、
該低域側の信号を除去した後の出力信号を同期検波し、
前記振動ジャイロの出力に生じるノイズが除去された角速度信号を検出する、
ことを特徴とするジャイロ出力検出方法。
【請求項２】
ハイ・パス・フィルタにより、前記共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去する
ことを特徴とした請求項１記載のジャイロ出力検出方法。
【請求項３】
バンド・パス・フィルタにより、前記共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側及び高域側の信号を除去する
ことを特徴とした請求項１記載のジャイロ出力検出方法。
【請求項４】
バンド・エリミネーション・フィルタにより、前記共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去する
ことを特徴とした請求項１記載のジャイロ出力検出方法。
【請求項５】
前記振動体に２つの検出片を形成し、前記２つの検出片からの出力信号を差動増幅する
ことを特徴とする請求項１記載のジャイロ出力検出方法。
【請求項６】
振動体の形成された検出片を含む振動ジャイロの出力を検出する装置であって、
前記検出片の出力信号を入力する差動増幅回路と、
該差動増幅回路の出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去する除去回路と、
前記除去回路の出力信号を同期検波する同期検波回路とを有し、
前記振動ジャイロの出力に生じるノイズが除去された角速度信号を検出する、
ことを特徴とするジャイロ出力検出装置。
【請求項７】
前記除去回路がハイ・パス・フィルタ回路である
ことを特徴とする請求項６記載のジャイロ出力検出装置。
【請求項８】
前記除去回路がバンド・パス・フィルタ回路である
ことを特徴とする請求項６記載のジャイロ出力検出装置。
【請求項９】
前記除去回路がバンド・エリミネーション・フィルタ回路である
ことを特徴とする請求項６記載のジャイロ出力検出装置。
【請求項１０】
前記振動体に２つの検出片が形成され、前記２つの検出片からの出力信号が差動増幅回路に入力される
ことを特徴とする請求項６記載のジャイロ出力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオカメラの手振れ検知やカーナビゲーションシステムの方向検知や、自動車などの移動体の姿勢制御等に用いられるジャイロの出力検出に関するもので、特に屈曲振動を利用した柱状の振動ジャイロの出力を測定するためのジャイロ出力検出方法及びその方法を用いるジャイロ出力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラの手振れやカーナビゲーションの走行位置を検出するため、或いは移動体の姿勢を制御するために振動ジャイロが広く普及している。従来、このような振動ジャイロとして四角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、三角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、円柱状の振動子に電極を印刷したもの等が実用化している。図１２は、従来の四角柱状の振動子を用いた振動ジャイロの一例を示す。図１２Ａは斜視図、図１２Ｂは断面図である。振動ジャイロ１は、四角柱状の振動子２の第１の側面に、圧電素子３ａ、３ｂが並ぶように取り付けられている。図１３は、この振動ジャイロ１の出力を検出する従来の回路ブロック、即ち振動ジャイロ検出回路１１１を示す。振動ジャイロ１の第１の側面と対向する第２の側面が、基準電位Ｖｒｅｆに接続される。発振回路１０６の出力は、抵抗１０４ａと抵抗１０４ｂを通して圧電素子３ａと圧電素子３ｂに夫々接続される。夫々の圧電素子３ａ、３ｂからの出力は、加算回路１０５に入力され、さらに加算回路１０５の出力は、発振回路１０６に入力されている。また、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力は、差動増幅回路１０７に入力され、同期検波回路１０８で同期検波され、その信号が直流増幅回路１０９で増幅される。同期検波回路１０８には発振回路１０６からタイミング信号が供給される。
【０００３】
振動ジャイロ１と抵抗１０４ａ、抵抗１０４ｂと加算回路１０５と発振回路１０６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ１が発振し、第１の側面及び第２の側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、圧電素子３ａと圧電素子３ｂとの間に出力差が生じて、差動増幅回路１０７から出力が得られる。このとき、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、差動増幅回路１０７で相殺される。即ち、差動増幅回路１０７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。従って、この出力を同期検波した後、直流増幅した出力を測定することにより、振動ジャイロ１に加わった回転角速度を測定することができる。圧電素子３ａと圧電素子３ｂは駆動片と検出片の共用として用いられる。
【０００４】
図１４は、従来の三角柱状の振動子を用いた振動ジャイロの他の例を示す。同図Ａは斜視図、同図Ｂは断面図である。振動ジャイロ２１は、三角柱状の振動子２２の側面に、圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂと圧電素子２３ｃが形成されて成る。
図１５は、この振動ジャイロ２１の出力を検出する従来の回路ブロック、即ち振動ジャイロ検出回路１３１を示す。この振動ジャイロ検出回路１３１では、発振回路１２６が抵抗１２４ａと抵抗１２４ｂを通して圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂに接続されるとともに、圧電素子２３ｃに接続される。さらに、圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂの出力は、差動増幅回路１２７に入力される。差動増幅回路１２７の出力は、同期検波回路１２８で同期検波され、その信号が直流増幅回路１２９で増幅される。同期検波回路１２８には、発振回路１２６からタイミング信号が供給される。
この振動ジャイロ検出回路１３１においては、振動ジャイロ２１と抵抗１２４ａ、抵抗１２４ｂと発振回路１２６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ２１は発振し、駆動片として用いられる第３の圧電素子２３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ２１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路１２７から出力が得られる。このとき、振動ジャイロ２１を駆動するための信号は、圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ２１を駆動するための信号は、差動増幅回路１２７で相殺される。すなわち、差動増幅回路１２７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。したがって、この出力を同期検波して、直流増幅した出力を測定することにより、振動ジャイロ２１に加わった回転角速度を測定することができる。
【０００５】
図１６は、従来の円柱状の振動子を用いた振動ジャイロの更に他の例を示す。同図Ａは斜視図、同図Ｂは断面図である。振動ジャイロ４１は、円柱状の振動子２２の側面に６つの電極４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆが順次形成されている。
図１７は、この振動ジャイロ４１の出力を検出する従来の回路ブロック、即ち振動ジャイロ検出回路１５１を示す。電極４３ａ、４３ｂ、４３ｃがそれぞれ独立し、電極４３ｄ、４３ｅ、４３ｆが共通グランドに接続される。発振回路１４６の出力は、電極４３ｃに接続される。さらに、電極４３ａと電極４３ｂの出力は、加算回路１４５に入力される。加算回路１４５の出力は、発振回路１４６に入力される。また、電極４３ａと電極４３ｂの出力は、差動増幅回路１４７に入力される。差動増幅回路１４７の出力は、同期検波回路１４８で同期検波され、その信号が直流増幅回路１４９で増幅される。同期検波回路１４８には発振回路１４６からタイミング信号が供給される。
振動ジャイロ検出回路１５１においては、振動ジャイロ４１と加算回路１４５と発振回路１４６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ４１が発振し、駆動片として用いられる電極４３ｃの側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ４１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる電極４３ａと電極４３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路１４７から出力が得られる。このとき、振動ジャイロ４１を駆動するための信号は、電極４３ａと電極４３ｂにおいて同相で同じ大きさである。このため、振動ジャイロ４１を駆動するための信号は、差動増幅回路１４７で相殺される。すなわち、差動増幅回路１４７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。したがって、この出力を同期検波して、直流増幅した出力を測定することにより、振動ジャイロ４１に加わった回転角速度を測定することができる。
【０００６】
図１８は、従来の振動体に１つの検出片を有した振動ジャイロの他の例を示す。同図Ａは斜視図、同図Ｂは断面図である。振動ジャイロ６１は、四角柱状の振動子６２の互いに直交する側面に、圧電素子６３ａと圧電素子６３ｂが形成されて成る。
図１９は、この振動ジャイロ６１の出力を検出する従来の回路ブロック、即ち振動ジャイロ検出回路１７１を示す。この振動ジャイロ検出回路１７１では、振動子６２が共通グランドに接続される。発振回路１６６の出力は、圧電素子６３ａに接続される。さらに、圧電素子６３ｂからの出力は交流増幅回路１６７に入力され、交流増幅回路１６７からの出力は発振回路１６６に入力される。また、交流増幅回路１６７からの出力は、同期検波回路１６８で同期検波され、その信号が直流増幅回路１６９で増幅される。同期検波回路１６８には発振回路１６６からタイミング信号が供給される。
この振動ジャイロ検出回路１７１においては、振動ジャイロ６１と交流増幅回路１６７と発振回路１６６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ６１が発振し、駆動片として用いられる圧電素子６３ａの側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ６１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる圧電素子６３ｂの出力が変化する。この変化量が回転角速度の大きさに応じた信号である。したがって、この信号を交流増幅し、同期検波して、直流増幅した出力を測定することにより、振動ジャイロ６１に加わった回転角速度を測定することができる。
【０００７】
その他に、特許文献１〜５に記載の通り、さまざまなタイプの振動ジャイロの検出方法が提案されている。
【特許文献１】特許２８０１０１３号
【特許文献２】特開平１１−１１８４９２号公報
【特許文献３】特開平１１−２５７９６９号公報
【特許文献４】特開平１１−８３４９５号公報
【特許文献５】特開平１１−８３４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来から知られている振動ジャイロの出力を検出する方法では、周囲温度の変化や振動子の揺れなどにより、静止時であるにもかかわらず２つの検出片の出力間において位相差や電位差が生じ、ドリフトやノイズの原因となっていた。また、差動増幅回路や同期検波回路などで発生するドリフトやノイズも直流増幅されるために無視できなかった。
【０００９】
図２０は、ビデオカメラの手振れ検出で用いられている振動ジャイロの出力を検出した特性図の一例である。縦軸は角速度信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表している。ビデオカメラの手振れ検知に必要な周波数は、１０〜１００Ｈｚ程度であるが、同じ周波数帯域内にもノイズ成分があり、ノイズを除去することによりＳ／Ｎを改善することが困難であった。
また、図２１は、カーナビゲーションシステムの方向検知に用いられる振動ジャイロの出力を検出した特性図の一例である。縦軸は角速度信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表している。カーナビゲーションシステムの方向検知に必要な周波数は、０〜１０Ｈｚ程度であるが、同じ周波数帯域内にもノイズ成分があり、ノイズを除去することによりＳ／Ｎを改善することが同様に困難であった。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、ドリフトやノイズの低減化を図るジャイロ出力検出方法及びジャイロ出力検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るジャイロ出力検出方法は、振動体の形成された検出片を含む振動ジャイロの出力を検出する方法であって、検出片の出力信号を差動増幅し、この差動増幅した出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去し、この低域側の信号を除去した後の出力信号を同期検波し、
振動ジャイロの出力に生じるノイズが除去された角速度信号を検出する。
【００１２】
本発明に係るジャイロ出力検出装置は、振動体の形成された検出片を含む振動ジャイロの出力を検出する方法であって、検出片の出力信号を入力する差動増幅回路と、この差動増幅回路の出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去する除去回路と、除去回路の出力信号を同期検波する同期検波回路とを有し、振動ジャイロの出力に生じるノイズが除去された角速度信号を検出する。
【００１３】
本発明に係るジャイロ出力検出方法によれば、振動ジャイロの検出片からの出力信号は、信号Ｓと必要な周波数帯域のノイズ成分Ｎとが分離された状態にある。この差動増幅後の出力信号から、フィルタ回路等によって共振周波数を含む角速度信号に応じた信号Ｓが顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号（ノイズ成分Ｎを含む信号）を除去することで、その後の同期検波により、振動ジャイロの出力に生じるノイズ成分を除去した角速度信号が検出される。
【００１４】
本発明に係るジャイロ出力検出装置によれば、振動ジャイロの検出片の出力信号を入力する差動増幅回路からは、信号Ｓと必要な周波数帯域のノイズ成分Ｎとが分離された出力信号が出力される。この差動増幅回路と同期検波回路との間にフィルタ回路などの除去回路を設けることにより、除去回路によって共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。従って、除去回路からの出力信号を同期検波回路で同期検波することにより、振動ジャイロの出力に生じるノイズ成分を除去した角速度信号が検出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るジャイロ出力検出方法によれば、振動ジャイロの出力に生じるノイズ、ドリフトを除去した角速度信号を検出することができる。従って、例えばビデオカメラの手振れ検出、カーナビゲーションシステムにおける方向検知、或いは自動車などの移動体の姿勢制御等に適用して好適である。
ハイ・パス・フィルタを用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
バンド・パス・フィルタを用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側及び高域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
バンド・エリミネーション・フィルタを用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側及び高域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
振動体に２つの検出片を形成し、２つの検出片からの出力信号を差動増幅に入力するときは、実用的且つ確実にノイズ成分を除去した角速度信号を検出することができる。
【００１６】
本発明に係るジャイロ出力検出装置によれば、差動増幅回路と同期検波回路との間に除去回路を設けるという簡単な構成により、振動ジャイロの出力に生じるノイズ、ドリフトを除去した角速度信号を検出することができる。従って、例えば、ビデオカメラの手振れ検出、カーナビゲーションシステムにおける方向検知、或いは自動車などの移動体の姿勢制御等に適用して好適である。
除去回路にハイ・パス・フィルタ回路を用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
除去回路にバンド・パス・フィルタ回路を用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側及び高域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
除去回路にバンド・エリミネーション・フィルタ回路を用いることにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より低域側及び高域側の信号（ノイズ成分を含む信号）を除去することができる。
振動体に２つの検出片を形成し、２つの検出片からの出力信号を差動増幅に入力するときは、実用的且つ確実にノイズ成分を除去した角速度信号を検出できるジャイロ出力検出装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るジャイロ出力検出方法及びそのジャイロ出力検出装置の一実施の形態を示す。本実施の形態に係るジャイロ出力検出装置１１は、振動ジャイロ１として前述の図１１に示すと同様の構成の振動ジャイロ１を用いる。即ち、振動ジャイロ１は、四角柱状の振動子２の第１の側面に圧電素子３ａ，３ｂが並ぶように取り付けられて成る。この振動子２の材料としては、エリンバ、鉄―ニッケル、石英、ガラス、水晶、セラミックなど、一般に機械的な振動を生じる材料で形成される。振動子２においては、圧電素子３ａ、３ｂが形成された第１の側面と対向する第２の側面が基準電位Ｖｒｅｆに接続される。振動ジャイロ１の圧電素子３ａ、３ｂは夫々加算回路５に接続され、加算回路５は発振回路６に接続される。発振回路６の出力側は抵抗４ａ及び４ｂを介して夫々圧電素子３ａ及び３ｂに接続される。一方、圧電素子３ａ、３ｂは夫々差動増幅回路７に接続され、差動増幅回路７の出力側に順次除去回路となるフィルタ回路１０、同期検波回路８及び直流増幅回路９が順次接続され、直流増幅回路９より出力端子ｔ１が導出される。同期検波回路８は、発振回路６からタイミング信号が供給されるように発振回路６に接続される。除去回路となるフィルタ回路１０は、後述で明らかとなるが、差動増幅回路７の出力信号から、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号が顕著に現れる周波数帯域より少なくとも低域側の信号を除去する回路である。
【００１８】
このジャイロ出力検出装置１１では、発振回路６の出力Ｖｇｏが抵抗４ａと抵抗４ｂを通じて圧電素子３ａと圧電素子３ｂに入力され、圧電素子３ａ及び３ｂの出力Ｖｇｒ及びＶｇｌが加算回路５に入力され、加算回路５の出力ＶＳａが発振回路６に入力される。一方、圧電素子３ａの出力Ｖｇｒと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｌが差動増幅回路７に入力され、差動増幅回路７の出力Ｖｄａがフィルタ回路１０に入力される。フィルタ回路１０の出力Ｖｆｏは同期検波回路８で同期検波されるが、そのタイミングは発振回路６で作られたクロック信号Ｖｃｋを用いて行われる。同期検波の出力Ｖｓｄは直流増幅回路９で増幅されて、出力端子ｔ１から出力される。
【００１９】
次に、本実施の形態のジャイロ出力検出装置１１によるジャイロ出力の検出方法を詳述する。図２は、図１のジャイロ出力検出装置１１の各部における電圧波形のタイムチャートを示す。図２は、振動ジャイロ１（図１２参照）の長軸を中心とした回転がない場合を静止時として表し、振動の長軸を中心とした回転が加わった場合を回転角速度が加わったときとして表している。
【００２０】
ジャイロ出力検出装置１１においては、振動ジャイロ１と抵抗４ａ、４ｂと加算回路５と発振回路６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ１が発振して第１の側面及び第２の側面に直交する方向に屈曲振動する。
振動ジャイロ１が、屈曲振動状態のとき、振動ジャイロ１の長軸を中心に回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。この屈曲振動の向きが変わることによって、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの間に出力差Ｖｇｌ−Ｖｇｒ（図２Ｂ２，Ｃ２参照）が生じることで、差動増幅回路７から出力Ｖｄａ（図２Ｅ２参照）が得られる。このとき、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｌ、Ｖｇｒであり、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ１を駆動するための信号Ｖｇｌ、Ｖｇｒは、差動増幅回路７で相殺される。次に、コリオリ力に応じた信号は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて逆相で同じ大きさの信号ＶｃｌおよびＶｃｒである。したがって、差動増幅回路７の出力ＶｄａはＶｃｌ−Ｖｃｒに比例した信号となる。即ち、振動ジャイロ１に回転角速度が加わった場合、圧電素子３ａからは振動ジャイロを駆動する静止時の信号Ｖｇｌ（破線）とコリオリ力に応じた信号Ｖｃｌ（一点鎖線）を含む信号Ｖｇｌ（実線）が出力され、圧電素子３ｂからは振動ジャイロを駆動する静止時の信号Ｖｇｒ（破線）とコリオリ力に応じた信号Ｖｃｒ（一点鎖線）を含む信号Ｖｇｒ（実線）が出力される（図２Ｂ２、図２Ｃ２参照）。従って、差動増幅回路７で両信号Ｖｇｌ（破線）とＶｇｒ（破線）とが相殺されて信号Ｖｃｌ−Ｖｃｒに比例した信号Ｖｄａ（図２Ｅ２参照）が差動増幅回路７から出力される。
【００２１】
この差動増幅回路７の出力Ｖｄａに含まれる低域ノイズ成分のみをフィルタ回路１０で取り除くことでＳ／Ｎが大幅に改善された信号Ｖｆｏ（図２Ｆ２参照）を得る。次に、このフィルタ回路１０の出力Ｖｆｏを同期検波することで直流信号ＶＳｄ（図２Ｈ２参照）に変換している。同期検波回路８は、フィルタ回路１０の出力Ｖｆｏをクロック信号Ｖｃｋのタイミングで全波整流することで信号Ｖｆｒに変換した後で積分し、直流信号Ｖｓｄを得る。この信号Ｖｓｄを直流増幅回路９で所定の大きさまで直流増幅することで、回転により生じる角速度信号のみを検出することができる。
【００２２】
また、加算回路５の出力Ｖｓａは、コリオリ力に応じた信号ＶｃｌとＶｃｒが相殺されるため、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂからの出力ＶｇｌとＶｇｒの和となる。この加算回路５と振動ジャイロ１と抵抗４ａ、抵抗４ｂと発振回路６による正帰還ループで発振回路を形成し、振動ジャイロ１の共振周波数にて自励発振する。夫々の圧電素子３ａ、３ｂは、駆動片と検出片を共用として用いている。
【００２３】
次に、回転により生じる角速度信号と低域ノイズの関係をさらに詳細に説明する。
上述のフィルタ回路１０がない従来例の場合は、前述したように周囲温度の変化や振動子の揺れ等が原因で発生するドリフトやノイズ、また差動増幅回路や同期検波回路などで発生するドリフトやノイズが無視できない。そして、前述の図２０のビデオカメラの手振れ検知で用いられる振動ジャイロの出力、あるいは図２１のカーナビゲーションシステムにおける方向検知に用いられる振動ジャイロの出力で示すように、従来は検知に必要な周波数帯域内に角速度信号Ｓとレベルの大きいノイズ成分Ｎがあり、Ｓ／Ｎ比を改善することが困難であった。
【００２４】
これに対し、上述した差動増幅回路７の出力に注目すると、コリオリ力に応じた信号ＶｃｌおよびＶｃｒは自励発振周波数で変調されていることから差動増幅回路７の出力Ｖｄａも同様に変調されている。これを利用することで角速度信号Ｓを検出するのに必要な周波数帯域のノイズのみを取り除くことができる。
【００２５】
図３は、上述した差動増幅回路７の出力Ｖｄａでの特性図の一例である。縦軸はコリオリ力に応じた信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表している。信号Ｓは周波数ｆｏで変調されており、この周波数ｆｏは自励発振周波数で通常１０ｋ〜１００ｋＨｚ程度に設定されている。また、手振れ検知の周波数帯域は１０〜１００Hz程度であり、方向検知の周波数帯域は０〜１０Hz程度であることから、信号Ｓと必要な周波数帯域のノイズ成分は分離されていると言える。
【００２６】
図４は、図１のフィルタ回路１０にハイ・パス・フィルタを用いたときの、フィルタ回路出力Ｖｆｏを表した特性図の一例である。縦軸はコリオリ力に応じた信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表している。例えばフィルタ回路１０のカット・オフ周波数ｆｃを１kHzに選んだ場合の特性で、コリオリ力に応じた信号Ｓを減少させずに、手振れ検知や方向検知に必要な周波数帯域のノイズ成分のみを低減することができる。
【００２７】
同様に、図１のフィルタ回路１０にバンド・パス・フィルタを用いることで、コリオリ力に応じた信号Ｓを減少させずに、手振れ検知や方向検知に必要な周波数帯域のノイズ成分のみを低減することができる。
このようなフィルタ回路１０の出力Ｖｆｏを同期検波回路８で直流信号ＶＳｄに復調することで、必要な周波数帯域のドリフトやノイズの低減化を図るのである。
【００２８】
図５は、本発明に係るジャイロ出力検出装置のフィルタ回路１０でノイズの低減化を図った振動ジャイロの出力特性を表した特性図の一例であり、特にビデオカメラの手振れ検知で用いる。縦軸は角速度信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表す。この手振れ検知に必要な周波数は、１０〜１００Hz程度であるが、同じ周波数帯域内のノイズ成分が低減化されるので、Ｓ／Ｎが大幅に改善される。
【００２９】
図６は、本発明に係るジャイロ出力検出装置のフィルタ回路でノイズの低減化を図った振動ジャイロの出力特性を表した特性図の一例であり、特にカーナビゲーションシステムにおける方向検知に用いる。縦軸は角速度信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表す。方向検知に必要な周波数は、０〜１０Hz程度であるが、同じ周波数帯域内のノイズ成分が低減化されるので、Ｓ／Ｎが大幅に改善される。
【００３０】
図７は、本発明に係るジャイロ出力検出装置のフィルタ回路１０にバンド・パス・フィルタを用いたときのフィルタ回路出力Ｖｆｏを表した特性図の一例である。縦軸はコリオリ力に応じた信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表す。例えばフィルタのカット・オフ周波数ｆｃを自励発振周波数ｆｏと同じ周波数に選んだ場合の特性で、コリオリ力に応じた信号Ｓは減少させずに、手振れ検知や方向検知に必要な周波数帯域のノイズ成分のみを低減することができる。
【００３１】
図８は、本発明に係るジャイロ出力検出装置のフィルタ回路１０にバンド・エリミネーション・フィルタを用いたときのフィルタ回路出力Ｖｆｏを表した特性図の一例である。縦軸はコリオリ力に応じた信号ＳとノイズＮの大きさを表し、横軸は周波数fの大きさを表す。例えばフィルタのカット・オフ周波数ｆｃを３０Ｈｚに選んだ場合の特性で、コリオリ力に応じた信号Ｓは減少させずに、手振れ検知や方向検知に必要な周波数帯域のノイズ成分のみを低減することができる。
【００３２】
さらに、差動増幅回路７のゲインを大きくし、直流増幅回路９のゲインを小さく設定することで、差動増幅回路７で発生するドリフトやノイズはフィルタ回路１０で低減し、同期検波回路８で発生するドリフトやノイズは直流増幅回路９で大きく増幅されないために低く押さえることが出来る。
【００３３】
図９は、本発明に係るジャイロ出力検出方法及びそのジャイロ出力検出装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るジャイロ出力検出装置２１は、前述の図１５に示すと同様の構成、即ち三角柱状の振動子２２の各側面に圧電素子２３［２３ａ、２３ｂ、２３ｃ］を形成しそのうちの２つの圧電素子２３ａ、２３ｂを検出片とした振動ジャイロ２１と、発振回路２６と、抵抗２４ａ、２４ｂと、差動増幅回路２７と、同期検波回路２８と、直流増幅回路２９とを備え、さらに、差動増幅回路２７と同期検波回路２８との間に上述の本発明におけるフィルタ回路１０と同様のフィルタ回路３０を接続して構成される。フィルタ回路３０を除く他の各振動ジャイロ２１、抵抗２４ａ、２４ｂ、発振回路２６、差動増幅回路２７、同期検波回路２８及び直流増幅回路２９の相互の接続関係は、前述の図１５と同様であるので重複説明を省略する。
本実施の形態に係るジャイロ出力検出方法及びジャイロ出力検出装置３１によれば、差動増幅回路２７と同期検波回路２８との間にフィルタ回路３０を追加することにより、上述の実施の形態と同様に角速度信号を損なわず、ドリフトやノイズの低減化を図ることが出来る。
【００３４】
図１０は、本発明に係るジャイロ出力検出方法及びそのジャイロ出力検出装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るジャイロ出力検出装置５１は、前述の図１６に示すと同様の構成、即ち円柱状の振動子４２の各側面に電極４３［４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆ］を形成しそのうちの２つの圧電素子４３ａ、４３ｂを検出片とした振動ジャイロ４１と、加算回路４５と、発振回路４６と、差動増幅回路４７と、同期検波回路４８と、直流増幅回路４９とを備え、さらに、差動増幅回路４７と同期検波回路４８との間に上述の本発明におけるフィルタ回路１０と同様のフィルタ回路５０を接続して構成される。フィルタ回路５０を除く他の各振動ジャイロ４１、加算回路４９、発振回路４６、差動増幅回路４７、同期検波回路４８及び直流増幅回路４９の相互の接続関係は、前述の図１７と同様であるので重複説明を省略する。
本実施の形態に係るジャイロ出力検出方法及びジャイロ出力検出装置５１によれば、差動増幅回路４７と同期検波回路４８との間にフィルタ回路５０を追加することにより、上述の実施の形態と同様に角速度信号を損なわず、ドリフトやノイズの低減化を図ることが出来る。
【００３５】
図１１は、本発明に係るジャイロ出力検出方法及びそのジャイロ出力検出装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るジャイロ出力検出装置は、前述の図１９に示すと同様の構成、即ち四角柱状の振動子６２の互いに直交する側面に、圧電素子６３ａと圧電素子６３ｂを形成し、そのうち圧電素子６３ｂを検出片とした振動ジャイロ６１と、発振回路６６と、交流増幅回路６７と、同期検波回路６８と、直流増幅回路６９とを備え、さらに、交流増幅回路６７と同期検波回路６８との間に上述の本発明におけるフィルタ回路１０と同様のフィルタ回路７０を接続して構成される。フィルタ回路７０を除く他の各振動ジャイロ６１、発振回路６６、交流増幅回路６７、同期検波回路６８及び直流増幅回路６９の相互の接続関係は、前述の図１９と同様であるので重複説明を省略する。
本実施の形態に係るジャイロ出力検出方法及びジャイロ出力検出装置７１によれば、交流増幅回路６７と同期検波回路６８との間にフィルタ回路７０を追加することにより、上述の実施の形態と同様に角速度信号を損なわず、ドリフトやノイズの低減化を図ることが出来る。
【００３６】
上述の実施の形態に係るジャイロ出力検出方法によれば、振動ジャイロの２つの検出片（圧電素子、電極）の出力信号Ｖｇｌ、Ｖｇｒを差動増幅回路に入力し、その出力信号Ｖｄａをフィルタ回路に供給することにより、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号Ｓが顕著に現れる周波数帯域より低周波側の信号、或いはこの周波数帯域の低周波側及び高周波側の信号、特にノイズ信号Ｎを除去することができる。この低周波側の信号、或いは低周波側及び高周波側のノイズ信号Ｎが除去された信号Ｓを同期検波回路で同期検波することにより、振動ジャイロの出力に生じるノイズ、ドリフトが除去された角速度信号を検出することができる。このジャイロ出力検出方法は、例えばビデオカメラの手振れ検出、カーナビゲーションシステムにおける方向検知、或いは自動車などの移動体の姿勢制御等に適用して好適である。
【００３７】
上述の実施の形態に係るジャイロ出力検出装置によれば、振動ジャイロの２つの検出片（圧電素子、電極）の出力信号Ｖｇｌ、Ｖｇｒを差動増幅する差動増幅回路と、同期検波回路との間にフィルタ回路を接続することにより、フィルタ回路の出力には、共振周波数を含む角速度信号に応じた信号Ｓが顕著に現れる周波数帯域より低周波側の信号、或いはこの周波数帯域の低周波側及び高周波側の信号、特にノイズ信号Ｎが除去された信号Ｓが得られる。この信号Ｓを同期検波回路で同期検波することにより、振動ジャイロの出力に生じるノイズ、ドリフトが除去された角速度信号を検出することができる。このジャイロ出力検出装置は、例えばビデオカメラの手振れ検出、カーナビゲーションシステムにおける方向検知、或いは自動車などの移動体の姿勢制御等に適用して好適である。
【００３８】
なお、本発明のジャイロ出力検出方法及びそのジャイロ出力検出装置は、振動ジャイロとして、振動体に１つの検出片を有した振動ジャイロを備えた場合にも適用することができる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を適用したジャイロ出力検出方法の一例を示す回路ブロック図を示す。
【図２】図１に示したジャイロ出力検出方法の各部における電圧波形のタイムチャート図を示す。
【図３】図１に示したジャイロ出力検出方法の差動増幅回路出力での特性図の一例である。
【図４】図１に示したジャイロ出力検出方法のフィルタ回路にハイ・パス・フィルタを用いたときのフィルタ回路出力での特性図の一例である。
【図５】手振れ検知に図１に示したジャイロ出力検出方法を用いたときの特性図の一例である。
【図６】方向検知に図１に示したジャイロ出力検出方法を用いたときの特性図の一例である。
【図７】図１に示したジャイロ出力検出方法のフィルタ回路にバンド・パス・フィルタを用いたときのフィルタ回路出力での特性図の一例である。
【図８】図１に示したジャイロ出力検出方法のフィルタ回路にバンド・エリミネーション・フィルタを用いたときのフィルタ回路出力での特性図の一例である。
【図９】本発明を適用したジャイロ出力検出方法の他の例を示す回路ブロック図である。
【図１０】本発明を適用したジャイロ出力検出方法の図１とは異なる他の例を示す回路ブロック図である。
【図１１】本発明を適用したジャイロ出力検出方法の図１とは異なる他の例を示す回路ブロック図である。
【図１２】Ａ  振動ジャイロの一例を示す斜視図を示す。  Ｂ  図１２の断面図を示す。
【図１３】従来のジャイロ出力検出方法の一例を示す回路ブロック図を示す。
【図１４】Ａ  振動ジャイロの他の例を示す斜視図を示す。  Ｂ  図１４Ａの断面図を示す。
【図１５】従来のジャイロ出力検出方法の他の例を示す回路ブロック図を示す。
【図１６】Ａ  振動ジャイロの図１４とは異なる他の例を示す斜視図を示す。  Ｂ  図１６Ａの断面図を示す。
【図１７】従来のジャイロ出力検出方法の図１３とは異なる他の例を示す回路ブロック図を示す。
【図１８】Ａ  振動ジャイロの図１４とは異なる他の例を示す斜視図を示す。  Ｂ  図１８Ａの断面図を示す。
【図１９】従来のジャイロ出力検出方法の図１３とは異なる他の例を示す回路ブロック図を示す。
【図２０】手振れ検知に用いられている振動ジャイロの出力を検出した特性図の一例である。
【図２１】方向検知に用いられている振動ジャイロの出力を検出した特性図の一例である。
【符号の説明】
【００４１】
１、２１、４１、６１・・振動ジャイロ
２、２２、４２、６２・・振動子
３ａ、３ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、６３ａ、６３ｂ・・圧電素子
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆ・・電極
４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１２４ａ、１２４ｂ・・抵抗
５、４５、１０５、１４５・・加算回路
６、２６、４６、１０６、１２６、１４６、１６６・・発振回路
７、２７、４７、１０７、１２７、１４７・・差動増幅回路
８、２８、４８、１０８、１２８、１４８、１６８・・同期検波回路
９、２９、４９、１０９、１２９、１４９、１６９・・直流増幅回路
１６７・・交流増幅回路
１０、３０、５０、７０・・フィルタ回路
１１、３１、５１、７１、１１１、１３１、１５１、１７１・・ジャイロ出力検出装置
【図１】
2005055255.tif 000003
【図２】
2005055255.tif 000004
【図３】
2005055255.tif 000005
【図４】
2005055255.tif 000006
【図５】
2005055255.tif 000007
【図６】
2005055255.tif 000008
【図７】
2005055255.tif 000009
【図８】
2005055255.tif 000010
【図９】
2005055255.tif 000011
【図１０】
2005055255.tif 000012
【図１１】
2005055255.tif 000013
【図１２】
2005055255.tif 000014
【図１３】
2005055255.tif 000015
【図１４】
2005055255.tif 000016
【図１５】
2005055255.tif 000017
【図１６】
2005055255.tif 000018
【図１７】
2005055255.tif 000019
【図１８】
2005055255.tif 000020
【図１９】
2005055255.tif 000021
【図２０】
2005055255.tif 000022
【図２１】
2005055255.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月7日(2003.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
図１６は、従来の円柱状の振動子を用いた振動ジャイロの更に他の例を示す。同図Ａは斜視図、同図Ｂは断面図である。振動ジャイロ４１は、円柱状の振動子４２の側面に６つの電極４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆが順次形成されている。
図１７は、この振動ジャイロ４１の出力を検出する従来の回路ブロック、即ち振動ジャイロ検出回路１５１を示す。電極４３ａ、４３ｂ、４３ｃがそれぞれ独立し、電極４３ｄ、４３ｅ、４３ｆが共通グランドに接続される。発振回路１４６の出力は、電極４３ｃに接続される。さらに、電極４３ａと電極４３ｂの出力は、加算回路１４５に入力される。加算回路１４５の出力は、発振回路１４６に入力される。また、電極４３ａと電極４３ｂの出力は、差動増幅回路１４７に入力される。差動増幅回路１４７の出力は、同期検波回路１４８で同期検波され、その信号が直流増幅回路１４９で増幅される。同期検波回路１４８には発振回路１４６からタイミング信号が供給される。
振動ジャイロ検出回路１５１においては、振動ジャイロ４１と加算回路１４５と発振回路１４６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ４１が発振し、駆動片として用いられる電極４３ｃの側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ４１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる電極４３ａと電極４３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路１４７から出力が得られる。このとき、振動ジャイロ４１を駆動するための信号は、電極４３ａと電極４３ｂにおいて同相で同じ大きさである。このため、振動ジャイロ４１を駆動するための信号は、差動増幅回路１４７で相殺される。すなわち、差動増幅回路１４７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。したがって、この出力を同期検波して、直流増幅した出力を測定することにより、振動ジャイロ４１に加わった回転角速度を測定することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
このジャイロ出力検出装置１１では、発振回路６の出力Ｖｇｏが抵抗４ａと抵抗４ｂを通じて圧電素子３ａと圧電素子３ｂに入力され、圧電素子３ａ及び３ｂの出力Ｖｇｒ及びＶｇｌが加算回路５に入力され、加算回路５の出力Ｖｓａが発振回路６に入力される。一方、圧電素子３ａの出力Ｖｇｒと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｌが差動増幅回路７に入力され、差動増幅回路７の出力Ｖｄａがフィルタ回路１０に入力される。フィルタ回路１０の出力Ｖｆｏは同期検波回路８で同期検波されるが、そのタイミングは発振回路６で作られたクロック信号Ｖｃｋを用いて行われる。同期検波の出力Ｖｓｄは直流増幅回路９で増幅されて、出力端子ｔ１から出力される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
同様に、図１のフィルタ回路１０にバンド・パス・フィルタを用いることで、コリオリ力に応じた信号Ｓを減少させずに、手振れ検知や方向検知に必要な周波数帯域のノイズ成分のみを低減することができる。
このようなフィルタ回路１０の出力Ｖｆｏを同期検波回路８で直流信号Ｖｓｄに復調することで、必要な周波数帯域のドリフトやノイズの低減化を図るのである。